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THz科学与技术在移动通信、军用雷达等领域具有重要的研究价值和广泛的应用潜力,其发展水平与改善民生和加强国家安全相关,因此,近十几年来世界范围内形成了THz研究热潮。目前THz科学与技术领域的许多关键技术仍未成熟,例如,THz辐射源的研制便是其中亟待解决的问题之一。返波管作为一类重要的真空电子学THz辐射源器件,是最有潜力实现小型化的THz辐射源之一,其理论研究可以基于与之相对应的行波管的理论体系略加改动进行,目前,这类器件的理论研究工作仍停滞在早期阶段,因此,为了加速我国THz科学与技术研究步伐并成功地研制返波管,较好地解决THz辐射源研制问题,深入开展行波管和返波管的互作用机理研究,并开发必要的设计手段十分重要。
本文对传统的L.Brillouin模型做了改进,同时借鉴I.J.More),的IBC模型,建立了螺旋线行波管的非线性互作用理论模型。在此基础上,将行波管互作用模型中的耦合阻抗改变符号、移除集中衰减器和切断区域、修改了初始条件等,从而建立了返波管非线性互作用理论模型。本文采用擅长处理多粒子系统的基于第一性原理的时域电磁PIC方法,对注-波互作用这种复杂物理现象进行实时跟踪与模拟。
针对建立的行波管和返波管的非线性互作用物理模型,深入探讨了FDTD算法和电磁PIC技术的有机结合,讨论了相关的电磁场计算、粒子推进、边界条件处理、改善数值噪声等算法求解问题,形成了基本完整的行波管和返波管非线性互作用时域电磁PIC计算方法。依据这一计算方法自主研发了运行稳定、计算快捷的仿真软件。
利用本文研制的仿真软件可以快速、直观地再现行波管的非线性注-波互作用物理过程的演变。首次通过时域的模拟计算得到了通常在频域模型下才可得到的相位计算结果；敏感参数分析表明,最小轴向网格间距△z的最佳取值约为1/20λ8,相对△z而言,每单元网格粒子数目对计算结果的敏感度较低；利用本文计算得到的时域结果,初步探讨了行波管的瞬态导通过程中瞬时功率跳变这一暂态现象的产生原因。
利用本文开发的返波管的非线性互作用时域电磁PIC计算程序,结合中国科学院电子学研究所的THz返波管冷特性模拟结果,开展了互作用模拟工作,表明通过冷特性所预测的慢波结构确实能够作为返波管正常工作,并进而预测了返波管的热特性。分析了工作电压和起振电流的变化对返波管工作状态的影响,结果表明:工作电压是决定返波管工作状态的重要参数,且只能在冷特性预测的工作电压值附近2％的范围内取值；此外,电子注电流须远大于小信号理论的起振电流,返波管才能够稳定正常工作,此时,平均功率随着电子注电流的增大而明显增大。
本文研究成果对设计、研制行波管及返波管具有重要的指导意义和应用价值,特别是返波管,由于目前尚无有效的大信号理论,本文的研究成果必将对返波管尤其是THz返波管的研制与设计起到重要的推动作用。